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Verfahren zur grossflächigen Kontaktierung eines einkristallinen Siliziumkörpers
Es ist beispielsweise aus der österr. Patentschrift Nr. 177475 bekannt, bei der Herstellung von Silizium-Schaltelementen unsymmetrischer Leitfähigkeit eine Siliziumscheibe mit einer Scheibenfläche von mehreren mm2 mit einer Goldfolie von noch grösserer Fläche zusammenzulegieren. Das bekannte Schaltelement ist für Signalumsetzung, also für sehr schwache Ströme in der Grössenordnung von Milliampere bestimmt und demgemäss auf der anderen Flachseite der Siliziumscheibe mit einer punktförmigen Elektrode versehen, die durch Einlegieren eines Endes eines Aluminiumdrahtes erzeugt wird.
Dieser Punktelektrode ist ein entsprechend winziger p-leitender Bereich vorgelagert, der durch Umwandlung eines unmittelbar benachbarten Teiles der n-leitenden Siliziumscheibe beim Einlegieren hervorgerufen wird, so dass sich zwischen dem umgewandelten Bereich und dem übrigen Teil der Scheibe ein gleich- richtenderpn-Übergangmitkugelähnlichgekrümm- ter Fläche befindet, während der gegenüberliegende grossflächige Goldkontakt von rein ohmscher oder im wesentlichen ohmscher Natur ist. Damit letzteres auf jeden Fall gewährleistet ist, kann der Goldfolie vor ihrer Verbindung mit der Siliziumscheibe ein Donatorelement, beispielsweise Antimon, zulegiert werden.
Wegen der erwähnten geringen Stromstärke ist es hiebei unerheblich, dass die Abstände der verschiedenen Teile der flächenhaften Goldelektrode von der gegenüberliegenden gleichrichtenden Punktelektrode unterschiedlich gross sind, indem sie vom Scheibenrand aus ein Mehrfaches des etwa in der Scheibenmitte vorhandenen Minimalabstandes betragen. Der kleine Signalstrom bevorzugt ohnehin im Silizium den kürzesten Weg, ohne sich nennenswert über die Fläche der Goldelektrode zu verbreiten, so dass diese Flächenelektrode sogar durch eine ebenfalls punktförmige ersetzt werden kann, indem statt einer Goldfolie ein Ende eines Golddrahtes mit der Stirnfläche der Siliziumscheibe legiert werden kann.
Daraus geht klar hervor, dass die Brauchbarkeit der vorher beschriebenen, bekannten Flächenelektrode durch Unregelmässigkeiten der Legierungstiefe an verschiedenen Stellen der Gesamtfläche nicht beeinträchtigt wird. Deshalb ist bei dem bekannten Schaltelement weder die anteilige Zusammensetzung der antimonhaltigen Goldfolie angegeben, noch sonst Vorsorge getroffen, dass eine über die Fläche gleichmässige Legierungstiefe gewährleistet ist. Die kurze Erhitzungszeit von beispielsweise 3 Sekunden für den Legierungsvorgang und die Kühlwirkung eines gleichzeitig vorbeiströmenden Schutzgases lassen ferner darauf schliessen, dass die Goldfolie in die Siliziumscheibe nur teilweise einlegiert wird.
Das wird auch bestätigt durch die Beschreibung und Darstellung des bekannten Schaltelementes, nach der auch am fertigen Gegenstand die Goldfolie noch als solche vorhanden und nicht in einem aus einer Gold-Siliziumlegierung bestehenden Bereich des Elementes aufgegangen ist.
Demgegenüber wird es durch die Erfindung ermöglicht, bei grösseren Kontaktflächen von mehreren mm 2 bis zu einigen cm mit Hilfe einer Goldfolie nicht nur die Umrisse und Abmessungen dieser Flächen, sondern auch eine gewünschte Eindringtiefe bzw. Legierungsmenge je Flächeneinheit im voraus bequem festzulegen, welche bekanntlich durch die Goldmenge je Flächeneinheit bzw. durch die Dicke der Goldfolie unter der Voraussetzung, dass sie in der Legierungsmenge vollständig aufgeht, gemäss dem Zweistoffdiagramm Gold/Silizium eindeutig gegeben ist.
Die Erfindung betrifft mithin die Verbesserung eines Verfahrens zur grossflächigen Kontaktierung eines einkristallinen Siliziumkörpers mit einer antimonhaltigen Goldfolie durch Zusammenlegieren beider über eine Fläche von mehreren mm2 bis zu einigen cm2. Erfindungsgemäss werden hiebei die folgenden, an sich bekannten Merkmale miteinander kombiniert :
1.
Verwendung von Gold mit einem Antimongehalt zwischen 0, 2% und 5%, insbesondere von zirka 1%, aus dem
2. eine Folie durch Kaltwalzen hergestellt wird, die
3. mit Hilfe eines Presskörpers mit zur Kontaktfläche paralleler Druckfläche in den Siliziumkristall einlegiert wird, wobei 4. die ganze Goldmenge der Folie durch Wärmebehandlung in Legierungsflüssigkeit über-
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geführt wird, so dass die Legierung eine über die ganze Kontaktierungsfläche gleichmässige, durch die Goldmenge je Flächeninhalt im voraus festgelegte Tiefe erhält.
Bei den als bekannt erwähnten Kontakten aus Gold mit einem Antimongehalt zwischen 0, 5 und 5%, z. B. nach der amerikanischen Patentschrift 2, 705, 768, spielt die gleichmässige Eindringtiefe keine Rolle, da es sich entweder um Punktkontakte für Signalströme oder um Kontakte mit einer Flächengrösse unter 1 mm2 für niedrige Stromdichte handelt. Hier fallen auch Schwierigkeiten bezüglich guter Haftung und Rissfreiheit wegen der kleinen Abmessungen nicht ins Gewicht, so dass derartige Halbleiterelemente sogar auch mit Goldelektroden, deren Antimongehalt erheblich über oder unter dem angegebenen Wertbereich liegt, bekannt waren.
Bei grösseren Flächen entstehen jedoch Schwierigkeiten, indem nach der Kontaktierung die wieder erkaltete Probe Risse aufweist. Es wurde gefunden, dass diese entweder auf ungleichmässige Eindringtiefe des Kontaktmetalles oder auf eine grosse Härte in Verbindung mit der Verschiedenheit der Wärmeausdehnung von Halbleiter und Kontaktmetall zurückzuführen waren. Ungleichmässige Eindringtiefe ergab sich bei an sich bekannter Kontaktierung mit Gold, dessen Antimongehalt geringer als 0, 100 war. Die Ungleichmässigkeit ging, obwohl ein Presskörper mit zur Kontaktfläche paralleler Druckfläche zur gleichmässigen Verteilung des flüssig gewordenen Kontaktmetalls angewendet wurde, häufig so weit, dass an einzelnen Stellen der zu kontaktierenden Halbleiterfläche überhaupt keine Legierungsbildung eintrat.
Bereits durch eine einzige solche Fehlstelle, welche sich in einem pn- Übergang befindet, kann dieser, selbst wenn die Fehlstelle winzig klein ist, seine Sperrfähigkeit weitgehend einbüssen. Rissbildung wegen zu grosser Härte der Legierung wurde bei an sich bekannter Kontaktierung mit Gold, dessen Antimongehalt etwa 25% entsprechend dem Eutektikum betrug, beobachtet.
Erfahrungsgemäss werden die oben erwähnten Schwierigkeiten durch das neue Verfahren weitgehend behoben ; es zeigt sich nämlich, dass die zu kontaktierende Siliziumkristallfläche bei der Wärmebehandlung durch die flüssig gewordene Legierung gut benetzt wird, was eine sehr gleichmässige Eindringtiefe der Legierungsbildung zur Folge hat. Für die erwähnte gute Benetzung
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Voraussetzung. Die obere Grenze von 5% ist durch dje Kaltverformbarkeit des Kontaktgoldes bedingt, die zugleich ein Mass für die Vermeidung von Rissbildung am fertig kontaktierten Kristall ist.
Mit Hilfe des neuen Verfahrens gelingt es, auf einkristallinen Siliziumscheiben grossflächige Legierungselektroden mit vorgelagerten hochdotierten n-leitenden Bereichen von gleichmässiger Dicke anzubringen, die vom unverändert gebliebenen Teil der Kristallscheiben, falls dieser p-leitend ist, durch eine zur Kontaktebene genau parallel verlaufende pn-Übergangsfläche getrennt sind, während die entsprechende Fläche bei n-leitendem Ursprungskristall einen abrupten Übergang zwischen dem schwachdotierten und dem hochdotierten Bereich darstellt und somit gleichfalls eine genau definierte ebene Grenze des mit Widerstand behafteten Teiles der Strombahn im Innern der Halbleiteranordnung bildet.
Mit solchen ebenen Begrenzungsflächen wird, wenn sie sich auf den planparallelen Seiten der Siliziumscheiben gegenüberliegen, eine gleichmässige Stromdichte über die kontaktierte Scheibenfläche erreicht, welche eine optimale Ausnutzung der Halbleiteranordnungen hinsichtlich ihrer Strombelastbarkeit gestattet.